CN110726774A - 超声衰减***的测量方法和测量装置 - Google Patents

超声衰减***的测量方法和测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声衰减系数的测量方法和测量装置，测量方法包括以下步骤：利用表面浸在水中的超声水浸探头向浸在水中的测试块发射超声波信号，其中，所述超声波信号为超声窄带脉冲正弦波信号；利用所述超声水浸探头接收所述超声波信号经所述测试块反射的回波信号；根据所述回波信号和所述超声波信号的频率计算所述测试块的超声衰减系数。该测量方法，通过超声水浸探头发射相应频率值的超声窄脉冲正弦波信号至测试块，测得该频率下测试块的超声衰减数系数，使得测得的超声衰减系数更加准确。

Description

超声衰减***的测量方法和测量装置
技术领域
本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种超声衰减系数的测量方法和测量装置。
背景技术
在超声应用中衰减系数是材料特性的重要参数之一，因此广泛应用于材料晶粒尺寸、孔隙率和疲劳等微观结构定量无损评价。超声频域衰减系数曲线能够真实反映材料内部微观结构变化，可用于准确预测材料服役状态。准确测量衰减系数的频域曲线对材料内部微观结构的定量评价至关重要，从而有必要提出一种准确测量材料频域衰减系数曲线的方法。
超声衰减包括超声束扩散衰减、材料内部散射衰减和介质吸收衰减。实际实验测量的衰减系数为材料内部散射和介质吸收衰减两部分总和。在多数工程应用中，一种比较方便的方法是用接触式直探头测量材料的衰减系数。Treiber等人的研究表明，用接触式探头测量衰减系数时，如果不考虑超声探头和材料界面处的部分反射系数，结果会造成较大的误差。因此多数工程应用研究仅用衰减系数来粗略表征材料内部微观结构的变化，而没有考虑其数值的准确性。
另一种有效的测量超声纵波频域衰减系数方法是超声水浸脉冲回波方法，该方法利用超声波通过材料界面处返回的一次底波和二次底波或者表面波与一次底波之比来计算，再经过超声波在材料中的衍射修正后得到探头有效带宽内的频域衰减系数。Miguel等人利用超声水浸脉冲方法并针对疏水材料对超声波经过材料界面的反射系数进行修正，得到适用于该种材料的衰减系数计算方法。然而以上方法均采用单探头宽带脉冲发射信号，该方式的脉冲信号频带宽度有限且难以确定，因此不能得到准确的衰减系数和频率之间的关系曲线。
宽带超声脉冲信号测量衰减系数时的另外一个关键问题是，当宽带脉冲在衰减介质中传播时，信号的频谱会发生偏移，其次当频率值远离探头有效频带时衰减系数值测量不准确。这会使得衰减系数和频率之间的曲线关系出现偏差，从而影响衰减系数测量结果。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种超声衰减系数的测量方法，以提高超声衰减系数的测量准确性。
本发明的另一个目的在于提出一种超声衰减系数的测量装置。
为达到上述目的，本发明提出了一种超声衰减系数的测量方法，包括以下步骤：利用表面浸在水中的超声水浸探头向浸在水中的测试块发射超声波信号，其中，所述超声波信号为超声窄带脉冲正弦波信号；利用所述超声水浸探头接收所述超声波信号经所述测试块反射的回波信号；根据所述回波信号和所述超声波信号的频率计算所述测试块的超声衰减系数。
本发明实施例的超声衰减系数的测量方法，通过超声水浸探头发射相应频率值的超声窄脉冲正弦波信号至测试块，测得该频率下测试块的超声衰减数系数，使得测得的超声衰减系数更加准确。
作为一个示例，所述回波信号包括所述测试块上表面的反射信号和所述测试块底面的反射信号，其中，通过如下公式计算所述测试块的超声衰减系数：
Figure BDA0002262799290000021
其中，αL(f,2z)为所述测试块的超声衰减系数，f为所述超声波信号的频率，z为所述测试块的厚度，d为所述超声水浸探头表面到所述测试块上表面的距离，S1(f,2d)为所述测试块上表面的反射信号，S2(f,2d′)为所述测试块底面的反射信号，d'为所述超声波信号在所述测试块和水中的传播距离，D1(f,2d)为所述超声波信号在水中传播时的衍射修正项，D2(f,2d')为所述超声波信号在所述测试块中传播时的衍射修正项，T12为所述超声波信号经过水界面时的透射系数，T21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的透射系数，R21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的反射系数。
作为一个示例，所述超声水浸探头表面距离所述测试块上表面20mm，所述测试块采用长方体结构，所述测试块的上下表面积均为50×50mm2，所述测试块的厚度为20mm。
作为一个示例，所述超声水浸探头的中心频率为1MHz、2.25MHz或5MHz。
作为一个示例，利用一个或多个不同中心频率的超声水浸探头发射多个不同频率的超声波信号，所述方法还包括：根据多个不同频率及其对应的回波信号计算得到多个超声衰减系数；对所述多个超声衰减系数及其对应的频率进行拟合处理，得到超声衰减系数-频率曲线。
为达到上述目的，本发明该提出了一种超声衰减系数的测量装置，包括：超声水浸探头、电流探针、放大器、函数发生器、示波器和上位机，其中，所述超声水浸探头表面浸在水中，所述电流探针分别与所述超声水浸探头、所述放大器、所述示波器电连接，所述函数发生器与所述放大器电连接，所述上位机与所述示波器电连接；其中，所述函数发生器输出的窄脉冲正弦波信号经所述放大器放大处理后，驱动所述超声水浸探头向浸在水中的测试块发射超声波信号，所述超声水浸探头将采集到的所述测试块反射的回波信号经所述电流探针传输至所述示波器，以在所述示波器显示，所述上位机用以获取所述示波器显示的回波信号，并根据所述回波信号和所述超声波信号的频率计算所述测试块的超声衰减系数。
本发明实施例的超声衰减系数的测量装置，通过函数发生器曲驱动超声水浸探头发射相应频率值的超声窄脉冲正弦波信号至测试块，测得该频率下测试块的超声衰减数系数，使得测得的超声衰减系数更加准确。
作为一个示例，所述回波信号包括所述测试块上表面的反射信号和所述测试块底面的反射信号，所述上位机通过如下公式计算所述测试块的超声衰减系数：
Figure BDA0002262799290000031
其中，αL(f,2z)为所述测试块的超声衰减系数，f为所述超声波信号的频率，z为所述测试块的厚度，d为所述超声水浸探头表面到所述测试块上表面的距离，S1(f,2d)为所述测试块上表面的反射信号，S2(f,2d′)为所述测试块底面的反射信号，d'为所述超声波信号在所述测试块和水中的传播距离，D1(f,2d)为所述超声波信号在水中传播时的衍射修正项，D2(f,2d')为所述超声波信号在所述测试块中传播时的衍射修正项，T12为所述超声波信号经过水界面时的透射系数，T21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的透射系数，R21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的反射系数。
作为一个示例，所述超声水浸探头表面距离所述测试块上表面20mm，所述测试块采用长方体结构，所述测试块的上下表面积均为50×50mm2，所述测试块的厚度为20mm。
作为一个示例，所述超声水浸探头的中心频率为1MHz、2.25MHz或5MHz。
作为一个示例，所述函数发生器用以输出多个不同频率的窄脉冲正弦波信号，并利用相应中心频率的超声水浸探头发射相应频率的超声波信号，其中，所述上位机还用以获取不同频率的超声波信号对应的回波信号，并根据多个不同频率及其对应的回波信号计算得到多个超声衰减系数，以及对所述多个超声衰减系数及其对应的频率进行拟合处理，得到超声衰减系数-频率曲线。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的超声衰减系数的测量方法的流程示意图；
图2是本发明一个示例的超声波信号的传播示意图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为频率为2.25MHz、5MHz和10MHz的超声波信号在亚克力材料中传播时的时域信号波形；
图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为频率为2.25MHz、5MHz和10MHz的超声波信号在亚克力材料中传播时的频域信号波形；
图5是本发明一个示例的测试结果的示意图；
图6是本发明另一个示例的测试结果的示意图；
图7是本发明实施例的超声衰减系数的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的超声衰减系数的测量方法和测量装置。
实施例1
图1是本发明实施例的超声衰减系数的测量方法的流程示意图。
如图1所示，该超声衰减系数的测量方法，包括以下步骤：
S1，利用表面浸在水中的超声水浸探头向浸在水中的测试块发射超声波信号，其中，,超声波信号为超声窄带脉冲正弦波信号。
S2，利用超声水浸探头接收超声波信号经测试块反射的回波信号。
S3，根据回波信号和超声波信号的频率计算测试块的超声衰减系数。
作为一个示例，回波信号包括测试块上表面的反射信号和测试块底面的反射信号，通过如下公式(1)计算测试块的超声衰减系数：
Figure BDA0002262799290000041
其中，αL(f,2z)为测试块的超声衰减系数，f为超声波信号的频率，z为测试块的厚度，d为超声水浸探头表面到测试块上表面的距离，S1(f,2d)为测试块上表面的反射信号，S2(f,2d′)为测试块底面的反射信号，d'为超声波信号在测试块和水中的传播距离，D1(f,2d)为超声波信号在水中传播时的衍射修正项，D2(f,2d')为超声波信号在测试块中传播时的衍射修正项，T12为超声波信号经过水界面时的透射系数，T21为超声波信号经过测试块界面时的透射系数，R21为超声波信号经过测试块界面时的反射系数。
具体地，本发明利用超声水浸探头对固体材料(即测试块)的超声衰减系数进行测量。以超声窄带脉冲正弦波信号作为发射源，超声纵波在测量过程中的传播如图2所示，超声水浸探头发射的超声波信号经过被测试块的上表面和底面反射回来，被超声水浸探头自身接收。
假设被测试块的厚度为z，超声水浸探头表面到测试块上表面距离即水深距为d。则超声水浸探头接收纵波的表面回波(即测试块上表面的反射信号)和一次底波信号(即测试块底面的反射信号)幅值可表示为：
S1(f,2d)＝S0(f,0)R12M1(f,2d)D1(f,2d) (2)
S2(f,2d')＝S0(f,0)T12R21T21M2(f,2d')D2(f,2d') (3)
式(2)和(3)中，S0(f,0)为超声水浸探头发射超声波信号的初始幅值；
式(2)和(3)中，R12和R21为超声波信号经过界面时的反射系数，可表示为：
Figure BDA0002262799290000051
R21＝-R12 (5)
其中，Z1＝ρ1cp1为超声波信号在测试块中的声阻抗，Z2＝ρ2cp2为超声波信号在水中的声阻抗，ρ1和ρ2分别为水和测试块的密度，cp1和cp2分别为超声波信号在水中和测试块中的传播速度。
式(2)和(3)中，T12和T21分别为超声波信号经过水和测试块界面时的透射系数，可以表示为：
Figure BDA0002262799290000052
Figure BDA0002262799290000053
式(2)和(3)中，M1(f,2d)和M2(f,2d')分别为超声波信号经过试块表面反射回波在水中的衰减系数和一次底面回波在水中和被测试块中的衰减系数，可以表示为：
M1(f,2d)＝exp[-2αf(f)d] (8)
M2(f,2d')＝exp[-2αf(f)d-αL(f)z] (9)
其中，αf(f)和αL(f)分别为超声波信号在水中和测试块中的衰减系数，超声波信号在两层介质中传播距离d'由式(10)给出
Figure BDA0002262799290000061
式(2)和(3)中，D1(f,2d)和D2(f,2d')分别为超声波信号在水中和在测试块中传播程中的衍射修正项，其可以用隆美尔衍射修正表达为：
Figure BDA0002262799290000062
Figure BDA0002262799290000063
其中，k＝2πf/cp1表示超声波信号在水中的波数，a为超声水浸探头的半径，J0和J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数。
用式(3)除以式(2)再经过相应的变量代入，可以得到超声波信号在测试块中的衰减系数表达式，即上述式(1)。
因此，对于给定中心频率的超声水浸探头，只要在其带宽内发射单频率f的窄脉冲信号，便可用式(1)计算出对应频率处的衰减系数αL(f,2z)。
作为一个示例，超声水浸探头表面距离测试块上表面20mm，测试块采用长方体结构，测试块的上下表面积均为50×50mm2，测试块的厚度为20mm。由此，通过将测试块上下表面保证高标准的平行度，表面进行打磨抛光处理，可减小或防止对测量造成的误差。
可选地，超声水浸探头的中心频率为1MHz、2.25MHz或5MHz。
作为一个示例，可利用一个或多个不同中心频率的超声水浸探头发射多个不同频率的超声波信号，其中，本发明实施例的测试方法还包括：根据多个不同频率及其对应的回波信号计算得到多个超声衰减系数；对多个超声衰减系数及其对应的频率进行拟合处理，得到超声衰减系数-频率曲线。
具体地，可以同时选取几个不同中心频率的超声水浸探头重复上述步骤S1～S3的过程，得到一组超声衰减系数αL(f,2z)和对应的一组超声波信号频率f，把所有的数值点进行曲线拟合，可以得到测试块准确的频域衰减曲线(即超声衰减系数-频率(αL-f)曲线)。
举例而言，可选五个不同中心频率的超声水浸探头测量超声衰减系数，并实现超声衰减系数-频率曲线的测量，其中，中心频率分别为1MHz、2.25MHz、5MHz、7.5MHz和10MHz，在不同中心频率探头发射的信号频率如表1-5所示。
表1
Figure BDA0002262799290000071
表2
Figure BDA0002262799290000072
表3
Figure BDA0002262799290000073
表4
表5
Figure BDA0002262799290000075
图3(a)、图3(b)、图3(b)示出了频率分别为2.25MHz、5MHz和10MHz的超声波信号在亚克力材料中传播的时域信号波形。结果表明，该方法在测量超声衰减系数时具有高的信噪比，从时域信号图中可以计算出超声波信号在亚克力材料中传播的平均速度为c＝2720m/s。
用“汉宁窗”提取表面回波和一次底波信号，然后进行快速傅里叶变换对应得到超声波信号的频域特性如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。从图中可以看出，超声表面回波和一次底波的信号中心频率稳定在发射频率，而不会像宽带脉冲信号那样发生中心频率向低频率偏移的现象。因此，本发明所提出的窄带脉冲在计算超声衰减系数时会比宽带脉冲计算时要稳定，所得的结果更加准确。
通过计算出每个发射频率点的频率特性，可以用式(1)计算出对应频率时的超声衰减系数并提取该频率下的数值，得到衰减系数测量结果如图5所示。
参见图5，不同频率的窄带脉冲衰减值呈现出一定的规律，经过对三次测试结果取平均并进行过原点的最佳曲线拟合得到频域上衰减系数的拟合表达式为αL(f,2z)＝10.2f。同时，将窄带脉冲和宽带脉冲测试结果进行比较。由于宽带脉冲信号具有一定频带范围，可以测量一定范围内的衰减系数特性；但是超出频率有效范围后，衰减系数测量结果混乱；由于难以确定有效频率范围，因此采用不同频带对曲线拟合得到的结果将有较大差别。相比于宽带超声脉冲的局部衰减曲线而言，本发明所提出的利用窄带超声脉冲测试超声衰减系数的方法在每个频率处的衰减值的准确性都得到提高，因此最终拟合出的超声频域衰减-频率曲线会更加准确。
为了进一步说明本发明所提出方法的有效性，对另外一种金属材料黄铜进行相同的测试过程，所测得的最终超声衰减系数结果如图6所示。
参见图6，根据测得的数值结果，进行最佳曲线拟合得到超声衰减系数与频率关系的表达式为αL(f,2z)＝0.788f2。同时，将得到的结果和宽带脉冲测量结果进行比较，结果表明当使用中心频率为5MHz和10MHz的探头时，频域衰减只在中心频率附近有规律而无法拟合出整个频域上的结果，而且选用5MHz探头当频率远离中心频率时，超声衰减系数出现负值这与实际不符。而且实际测量中，所采集信号的中心频率并不恒定在5MHz和10MHz，这会给测量结果带来较大误差。
综上所述，本发明实施例的超声衰减系数的测试方法，通过超声水浸探头发射相应频率值的超声窄脉冲正弦波信号至测试块，测得该频率下测试块的超声衰减数系数，然后通过多点衰减数值在整个频率区间上进行最佳曲线拟合。由此，采用超声窄带脉冲正弦波信号稳定，能量集中在发射频率处，测得的超声衰减系数更加准确；且通过对多个点的超声衰减系数测量，能够得到整个频域上的超声衰减系数曲线。
实施例2
图7是本发明实施例的超声衰减系数的测量装置的结构示意图。
如图7所示，超声衰减系数的测量装置包括：超声水浸探头10、电流探针20、放大器30、函数发生器40、示波器50和上位机60，其中，超声水浸探头10表面浸在水中，电流探针20分别与超声水浸探头10、放大器30、示波器50电连接，函数发生器40与放大器30电连接，上位机60与示波器50电连接。
其中，函数发生器40输出的窄脉冲正弦波信号经放大器30放大处理后，驱动超声水浸探头10向浸在水中的测试块发射超声波信号，超声水浸探头10将采集到的测试块反射的回波信号经电流探针20传输至示波器50，以在示波器50显示，上位机60用以获取示波器50显示的回波信号，并根据回波信号和超声波信号的频率计算测试块的超声衰减系数。
作为一个示例，回波信号包括测试块上表面的反射信号和测试块底面的反射信号，上位机60可通过如下公式(1)计算测试块的超声衰减系数：
其中，αL(f,2z)为测试块的超声衰减系数，f为超声波信号的频率，z为测试块的厚度，d为超声水浸探头表面到测试块上表面的距离，S1(f,2d)为测试块上表面的反射信号，S2(f,2d′)为测试块底面的反射信号，d'为超声波信号在测试块和水中的传播距离，D1(f,2d)为超声波信号在水中传播时的衍射修正项，D2(f,2d')为超声波信号在测试块中传播时的衍射修正项，T12为超声波信号经过水界面时的透射系数，T21为超声波信号经过测试块界面时的透射系数，R21为超声波信号经过测试块界面时的反射系数。
具体地，本发明利用超声水浸探头10对固体材料(即测试块)的超声衰减系数进行测量。以超声窄带脉冲正弦波信号作为发射源，超声纵波在测量过程中的传播如图2所示，超声水浸探头发射的超声波信号经过被测试块的上表面和底面反射回来，被超声水浸探头自身接收。
假设被测试块的厚度为z，超声水浸探头10表面到测试块上表面距离即水深距为d。则超声水浸探头10接收纵波的表面回波(即测试块上表面的反射信号)和一次底波信号(即测试块底面的反射信号)幅值可表示为：
S1(f,2d)＝S0(f,0)R12M1(f,2d)D1(f,2d) (2)
S2(f,2d')＝S0(f,0)T12R21T21M2(f,2d')D2(f,2d') (3)
式(2)和(3)中，S0(f,0)为超声水浸探头10发射超声波信号的初始幅值；
式(2)和(3)中，R12和R21为超声波信号经过界面时的反射系数，可表示为：
Figure BDA0002262799290000092
R21＝-R12 (5)
其中，Z1＝ρ1cp1为超声波信号在测试块中的声阻抗，Z2＝ρ2cp2为超声波信号在水中的声阻抗，ρ1和ρ2分别为水和测试块的密度，cp1和cp2分别为超声波信号在水中和测试块中的传播速度。
式(2)和(3)中，T12和T21分别为超声波信号经过水和测试块界面时的透射系数，可以表示为：
Figure BDA0002262799290000101
Figure BDA0002262799290000102
式(2)和(3)中，M1(f,2d)和M2(f,2d')分别为超声波信号经过试块表面反射回波在水中的衰减系数和一次底面回波在水中和被测试块中的衰减系数，可以表示为：
M1(f,2d)＝exp[-2αf(f)d] (8)
M2(f,2d')＝exp[-2αf(f)d-αL(f)z] (9)
其中，αf(f)和αL(f)分别为超声波信号在水中和测试块中的衰减系数，超声波信号在两层介质中传播距离d'由式(10)给出
式(2)和(3)中，D1(f,2d)和D2(f,2d')分别为超声波信号在水中和在测试块中传播程中的衍射修正项，其可以用隆美尔衍射修正表达为：
Figure BDA0002262799290000104
Figure BDA0002262799290000105
其中，k＝2πf/cp1表示超声波信号在水中的波数，a为超声水浸探头的半径，J0和J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数。
用式(3)除以式(2)再经过相应的变量代入，可以得到超声波信号在测试块中的衰减系数表达式，即上述式(1)。
因此，对于给定中心频率的超声水浸探头10，只要在其带宽内发射单频率f的窄脉冲信号，便可用式(1)计算出对应频率处的衰减系数αL(f,2z)。
作为一个示例，超声水浸探头10表面距离测试块上表面20mm，测试块采用长方体结构，测试块的上下表面积均为50×50mm2，测试块的厚度为20mm。
可选地，超声水浸探头10的中心频率为1MHz、2.25MHz或5MHz。
作为一个示例，函数发生器40用以输出多个不同频率的窄脉冲正弦波信号，并利用相应中心频率的超声水浸探头10发射相应频率的超声波信号，其中，上位机60还用以获取不同频率的超声波信号对应的回波信号，并根据多个不同频率及其对应的回波信号计算得到多个超声衰减系数，以及对多个超声衰减系数及其对应的频率进行拟合处理，得到超声衰减系数-频率曲线。
举例而言，可采用如图7所示的装置，测量超声衰减系数，并实现超声衰减系数-频率曲线的测量。选五个不同中心频率的超声水浸探头，中心频率分别为1MHz、2.25MHz、5MHz、7.5MHz和10MHz。通过函数发生器40发射15个周期的窄脉冲正弦波信号，信号通过放大器30放大后驱动超声水浸探头10；与放大器30和超声水浸探头10直接电连接电流探头20用于接收超声水浸探头10采集的反射回波信号。在不同中心频率探头发射的信号频率如表1-5所示。超声水浸探头10发射的超声波信号经过测试块反射后在示波器50上显示，并最终储存在上位机60(如计算机)中以便后续处理。
其中，参见图7，超声水浸探头10可通过6自由度运动控制3固定在水箱1上，调节超声水浸探头10表面到测试块上表面距离即水深距为20mm，其中，可在测试块下方设置垫块2，以便更好的调节水深距。测试块上下表面积设计为50×50mm2避免边缘效应对测量的影响，厚度设计为20mm。由此，通过将测试块上下表面保证高标准的平行度，表面进行打磨抛光处理，可减小或防止对测量造成的误差。
表1
Figure BDA0002262799290000111
表2
Figure BDA0002262799290000112
表3
Figure BDA0002262799290000113
表4
表5
Figure BDA0002262799290000115
Figure BDA0002262799290000121
图3(a)、图3(b)、图3(b)示出了频率分别为2.25MHz、5MHz和10MHz的超声波信号在亚克力材料中传播的时域信号波形。结果表明，该方法在测量超声衰减系数时具有高的信噪比，从时域信号图中可以计算出超声波信号在亚克力材料中传播的平均速度为c＝2720m/s。
用“汉宁窗”提取表面回波和一次底波信号，然后进行快速傅里叶变换对应得到超声波信号的频域特性如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。从图中可以看出，超声表面回波和一次底波的信号中心频率稳定在发射频率，而不会像宽带脉冲信号那样发生中心频率向低频率偏移的现象。因此，本发明所提出的窄带脉冲在计算超声衰减系数时会比宽带脉冲计算时要稳定，所得的结果更加准确。
通过计算出每个发射频率点的频率特性，可以用式(1)计算出对应频率时的超声衰减系数并提取该频率下的数值，得到衰减系数测量结果如图5所示。
参见图5，不同频率的窄带脉冲衰减值呈现出一定的规律，经过对三次测试结果取平均并进行过原点的最佳曲线拟合得到频域上衰减系数的拟合表达式为αL(f,2z)＝10.2f。同时，将窄带脉冲和宽带脉冲测试结果进行比较。由于宽带脉冲信号具有一定频带范围，可以测量一定范围内的衰减系数特性；但是超出频率有效范围后，衰减系数测量结果混乱；由于难以确定有效频率范围，因此采用不同频带对曲线拟合得到的结果将有较大差别。相比于宽带超声脉冲的局部衰减曲线而言，本发明所提出的利用窄带超声脉冲测试超声衰减系数的方法在每个频率处的衰减值的准确性都得到提高，因此最终拟合出的超声频域衰减-频率曲线会更加准确。
为了进一步说明本发明所提出方法的有效性，对另外一种金属材料黄铜进行相同的测试过程，所测得的最终超声衰减系数结果如图6所示。
参见图6，根据测得的数值结果，进行最佳曲线拟合得到超声衰减系数与频率关系的表达式为αL(f,2z)＝0.788f2。同时，将得到的结果和宽带脉冲测量结果进行比较，结果表明当使用中心频率为5MHz和10MHz的探头时，频域衰减只在中心频率附近有规律而无法拟合出整个频域上的结果，而且选用5MHz探头当频率远离中心频率时，超声衰减系数出现负值这与实际不符。而且实际测量中，所采集信号的中心频率并不恒定在5MHz和10MHz，这会给测量结果带来较大误差。
综上所述，本发明实施例的超声衰减系数的测试装置，通过函数发生器驱动超声水浸探头发射相应频率值的超声窄脉冲正弦波信号求得该频率下的超声衰减数系数，并可通过多点衰减数值在整个频率区间上进行最佳曲线拟合。由此，采用超声窄带脉冲正弦波信号稳定，能量集中在发射频率处，测得的超声衰减系数更加准确；且通过对多个点的超声衰减系数测量，能够得到整个频域上的超声衰减系数曲线。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超声衰减系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用表面浸在水中的超声水浸探头向浸在水中的测试块发射超声波信号，其中，所述超声波信号为超声窄带脉冲正弦波信号；
利用所述超声水浸探头接收所述超声波信号经所述测试块反射的回波信号；
根据所述回波信号和所述超声波信号的频率计算所述测试块的超声衰减系数。
2.如权利要求1所述的超声衰减系数的测量方法，其特征在于，所述回波信号包括所述测试块上表面的反射信号和所述测试块底面的反射信号，其中，通过如下公式计算所述测试块的超声衰减系数：
Figure FDA0002262799280000011
其中，αL(f,2z)为所述测试块的超声衰减系数，f为所述超声波信号的频率，z为所述测试块的厚度，d为所述超声水浸探头表面到所述测试块上表面的距离，S1(f,2d)为所述测试块上表面的反射信号，S2(f,2d′)为所述测试块底面的反射信号，d'为所述超声波信号在所述测试块和水中的传播距离，D1(f,2d)为所述超声波信号在水中传播时的衍射修正项，D2(f,2d')为所述超声波信号在所述测试块中传播时的衍射修正项，T12为所述超声波信号经过水界面时的透射系数，T21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的透射系数，R21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的反射系数。
3.如权利要求1所述的超声衰减系数的测量方法，其特征在于，所述超声水浸探头表面距离所述测试块上表面20mm，所述测试块采用长方体结构，所述测试块的上下表面积均为50×50mm2，所述测试块的厚度为20mm。
4.如权利要求1所述的超声衰减系数的测量方法，其特征在于，所述超声水浸探头的中心频率为1MHz、2.25MHz或5MHz。
5.如权利要求4所述的超声衰减系数的测量方法，其特征在于，利用一个或多个不同中心频率的超声水浸探头发射多个不同频率的超声波信号，所述方法还包括：
根据多个不同频率及其对应的回波信号计算得到多个超声衰减系数；
对所述多个超声衰减系数及其对应的频率进行拟合处理，得到超声衰减系数-频率曲线。
6.一种超声衰减系数的测量装置，其特征在于，包括：超声水浸探头、电流探针、放大器、函数发生器、示波器和上位机，其中，所述超声水浸探头表面浸在水中，所述电流探针分别与所述超声水浸探头、所述放大器、所述示波器电连接，所述函数发生器与所述放大器电连接，所述上位机与所述示波器电连接；
其中，所述函数发生器输出的窄脉冲正弦波信号经所述放大器放大处理后，驱动所述超声水浸探头向浸在水中的测试块发射超声波信号，所述超声水浸探头将采集到的所述测试块反射的回波信号经所述电流探针传输至所述示波器，以在所述示波器显示，所述上位机用以获取所述示波器显示的回波信号，并根据所述回波信号和所述超声波信号的频率计算所述测试块的超声衰减系数。
7.如权利要求6所述的超声衰减系数的测量装置，其特征在于，所述回波信号包括所述测试块上表面的反射信号和所述测试块底面的反射信号，所述上位机通过如下公式计算所述测试块的超声衰减系数：
Figure FDA0002262799280000021
其中，αL(f,2z)为所述测试块的超声衰减系数，f为所述超声波信号的频率，z为所述测试块的厚度，d为所述超声水浸探头表面到所述测试块上表面的距离，S1(f,2d)为所述测试块上表面的反射信号，S2(f,2d′)为所述测试块底面的反射信号，d'为所述超声波信号在所述测试块和水中的传播距离，D1(f,2d)为所述超声波信号在水中传播时的衍射修正项，D2(f,2d')为所述超声波信号在所述测试块中传播时的衍射修正项，T12为所述超声波信号经过水界面时的透射系数，T21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的透射系数，R21为所述超声波信号经过所述测试块界面时的反射系数。
8.如权利要求6所述的超声衰减系数的测量装置，其特征在于，所述超声水浸探头表面距离所述测试块上表面20mm，所述测试块采用长方体结构，所述测试块的上下表面积均为50×50mm2，所述测试块的厚度为20mm。
9.如权利要求6所述的超声衰减系数的测量装置，其特征在于，所述超声水浸探头的中心频率为1MHz、2.25MHz或5MHz。
10.如权利要求9所述的超声衰减系数的测量装置，其特征在于，所述函数发生器用以输出多个不同频率的窄脉冲正弦波信号，并利用相应中心频率的超声水浸探头发射相应频率的超声波信号，其中，所述上位机还用以获取不同频率的超声波信号对应的回波信号，并根据多个不同频率及其对应的回波信号计算得到多个超声衰减系数，以及对所述多个超声衰减系数及其对应的频率进行拟合处理，得到超声衰减系数-频率曲线。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112697209A (zh) * 2020-12-22 2021-04-23 连云港腾越电子科技有限公司 一种用于测量水渠流量的方法
CN114485911A (zh) * 2022-01-25 2022-05-13 重庆医科大学 基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置及方法
CN114487100A (zh) * 2021-12-30 2022-05-13 中国特种设备检测研究院 一种超声探头频谱测试的频谱偏移补偿方法
CN116642951A (zh) * 2023-04-28 2023-08-25 西安科技大学 一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103645248A (zh) * 2013-12-18 2014-03-19 中南大学 一种基于超声相速度的高温合金晶粒度评价方法
CN109270172A (zh) * 2018-09-13 2019-01-25 中南大学 校验超声水浸压电探头的方法及装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103645248A (zh) * 2013-12-18 2014-03-19 中南大学 一种基于超声相速度的高温合金晶粒度评价方法
CN109270172A (zh) * 2018-09-13 2019-01-25 中南大学 校验超声水浸压电探头的方法及装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. MOLERO等: "On the measurement of frequency-dependent ultrasonic attenuation in strongly heterogeneous materials", 《ULTRASONICS》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112697209A (zh) * 2020-12-22 2021-04-23 连云港腾越电子科技有限公司 一种用于测量水渠流量的方法
CN114487100A (zh) * 2021-12-30 2022-05-13 中国特种设备检测研究院 一种超声探头频谱测试的频谱偏移补偿方法
CN114487100B (zh) * 2021-12-30 2024-01-26 中国特种设备检测研究院 一种超声探头频谱测试的频谱偏移补偿方法
CN114485911A (zh) * 2022-01-25 2022-05-13 重庆医科大学 基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置及方法
CN114485911B (zh) * 2022-01-25 2023-11-24 重庆医科大学 基于亚波长尺度的声波导管中声衰减系数测量装置及方法
CN116642951A (zh) * 2023-04-28 2023-08-25 西安科技大学 一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法
CN116642951B (zh) * 2023-04-28 2024-02-23 西安科技大学 一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法

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